Tổng hợp vật liệu từ tro xỉ nhiệt điện dùng thay thế gạch đất sét nung sysnthetic materials from thermal ash used to replace baked clay bricks

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Tổng hợp vật liệu từ tro xỉ nhiệt điện dùng thay gạch đất sét nung (Synthetic materials from thermal ash used to replace baked clay bricks) NGUYỄN TIẾN THỦ thu.nt20202056M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật hóa học Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Hồng Tùng Viện: Kỹ thuật hóa học HÀ NỘI, 03/2023 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Đề tài luận văn: Chuyên ngành: Mã số HV: Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày …với nội dung sau: Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2023 Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Mẫu 1c ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỔNG HỢP VẬT LIỆU TỪ TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN DÙNG THAY THẾ GẠCH ĐẤT SÉT NUNG Giáo viên hướng dẫn PGS.TS Vũ Hoàng Tùng LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô Đại học Bách khoa Hà Nội, thầy Viện Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Công nghệ Vật liệu Silicat truyền đạt cho em kiến thức tảng em thực tốt luận văn tốt nghiệp này, truyền cho em kinh nghiệm làm việc quý báu giúp em tự tin làm việc Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vũ Hoàng Tùng Thầy người giao đề tài trực tiếp hướng dẫn tận tình, bảo em kiến thức kinh nghiệm thực nghiệm Em xin cảm ơn anh chị Cán viên Viện nghiên cứu Sành sứ thủy tinh công nghiệp tận tình giúp đỡ em phịng thí nghiệm, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Cuối em muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè ln động viên, khích lệ giúp đỡ em suốt thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Đề tài “Tổng hợp vật liệu từ tro xỉ nhiệt điện dùng thay gạch đất sét nung” thực với mục đích Tổng hợp loại Vật liệu từ tro xỉ Nhà máy nhiệt điện chất kết dính vơi tơi đất sét tự nhiên, từ đánh giá ảnh hưởng của yếu tố cơng nghệ đến quy trình tổng hợp vật liệu; cụ thể tỉ lệ tối thiểu đất sét vôi, nhiệt độ nung thời gian nung Tro xỉ loại tro lấy từ Xylo thu hồi bụi khí thải trước thải ống khói nhà máy nhiệt điện sử dụng với tỉ lệ >90% khối lượng thành phần phối liệu Vật liệu cần tổng hợp Các mẫu chế tạo điều kiện nung 1000°C; 1050°C 1100°C Ảnh hưởng chất kết dính đất sét vơi đến tính chất lý mộc sản phẩm nung khảo sát, làm sở đánh giá khả tổng hợp Vật liệu, nhằm ứng dụng vào thực tiễn sản xuất công nghiệp Các tính chất lý mộc khảo sát kĩ điều kiện công nghệ phù hợp với sản xuất thực tiễn, tính chất sản phẩm nung, đáp ứng tiêu chuẩn gạch đất sét nung (theo tiêu chuẩn TCVN 1451 - 1998) Qua kết khảo sát trên, nội dung đề tài có triển vọng để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Vật liệu xây dựng (thay gạch đất sét nung) nhiên cần có thêm khảo sát quy mơ công nghiệp./ Ngày 28 tháng năm 2023 HỌC VIÊN Nguyễn Tiến Thủ MỤC LỤC MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG I TỔNG QUAN I.1 Gạch đất sét nung I.1.1 Giới thiệu gạch đất sét nung I.1.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật gạch đất sét nung I.2 Sản xuất sử dụng gạch đất sét nung I.2.1 Ưu điểm gạch đất sét nung I.2.2 Tình hình sản xuất sử dụng gạch đất sét nung I.3 Tro xỉ ứng dụng tro xỉ I.3.1 Nguồn gốc tro xỉ I.3.2 Sản lượng tình trạng phát thải tro xỉ I.3.3 Các đặc tính tro xỉ I.3.4 Một số tính chất cần thiết phối liệu từ tro xỉ 10 I.3.5 Ứng dụng (giải pháp) xử lý tro xỉ 10 I.4 Những nghiên cứu ứng dụng tro xỉ 11 I.4.1 Các nghiên cứu giới 11 I.4.2 Các nghiên cứu sử dụng tro xỉ 12 I.4.3 Các nghiên cứu Việt Nam 12 I.5 Chất kết dính: 12 I.5.1 Vôi 12 I.5.2 Đất sét 13 I.6 Khái niệm thiêu kết 15 I.6.1 Quá trình thiêu kết có mặt pha lỏng 16 I.6.2 Cơ chế thiêu kết có mặt pha lỏng 17 I.6.3 Biến đổi hệ tro xỉ - đất sét nhiệt độ 18 I.6.4 Biến đổi hệ tro xỉ - sữa vôi nhiệt độ 19 I.7 Phương pháp tạo hình 19 I.7.1 Đùn dẻo 19 I.7.2 Ép bán khô 20 I.8 Kết luận 20 I.9 Mục tiêu nghiên cứu 21 CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 II.1 Các phương pháp khảo sát tính chất nguyên vật liệu 22 II.1.1 Thành phần hóa học 22 II.1.2 Thành phần khoáng vật học 22 II.1.3 Phân tích hình thái 22 II.1.4 Thành phần hạt 23 II.2 Quy trình chế tạo mẫu 24 II.3 Các phương pháp khảo sát tính chất lý vật liệu tổng hợp 26 II.3.1 Xác định độ co 26 II.3.2 Xác định cường độ uốn nén sau nung 27 II.3.3 Xác định độ hút nước, độ xốp khối lượng thể tích 28 II.3.4 Phân tích thành phần khoáng phương pháp nhiễu xạ tia X 29 CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 III.1 Nguyên liệu 30 III.1.1 Thành phần hóa học nguyên liệu 30 III.1.2 Phân tích SEM tro xỉ Mông Dương 30 III.1.3 Phân tích thành phần hạt tro xỉ Mơng Dương 31 III.1.4 Thành phần khoáng học tro xỉ 31 III.2 Tổng hợp vật liệu từ tro xỉ chất kết dính 32 III.2.1 Cấp phối phối liệu vật liệu tro xỉ 32 III.2.2 Cường độ mộc 34 III.2.3 Độ co 34 III.2.4 Độ hút nước, độ xốp biểu kiến 35 III.2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến cường độ uốn, nén vật liệu 36 III.2.6 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến khối lượng thể tích vật liệu 39 III.2.7 Kết phân tích XRD 40 III.2.8 Kết phân tích SEM 41 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 43 IV.1 Kết luận 43 IV.2 Hướng phát triển luận văn tương lai 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình I.1: Cơng nghệ đốt than phun Hình I.2: Cơng nghệ đốt than tầng sơi hồn tồn Hình I.3: Phân tích XRD tro xỉ công nghệ đốt than phun (a) công nghệ đốt than tầng sôi (b) Hình I.4: Phân tích SEM tro xỉ cơng nghệ đốt than phun (a) công nghệ đốt than tầng sơi hồn tồn (b) Hình I.5: Phân bố cỡ hạt tro xỉ 10 Hình I.6: Biểu đồ AI Avgustinhik 15 Hình I.7: Q trình thiêu kết có mặt pha lỏng 16 Hình I.8: Cơ chế thiêu kết có mặt pha lỏng 17 Hình I.9: Quy trình tạo hình ép bán khơ gạch ceramic 20 Hình II.1: Máy phân tích XRD D2 Phaser hãng Bruker 22 Hình II.2: Máy phân tích SEM Nova nanoSEM 450 hãng FEI 23 Hình II.3: Máy phân tích thành phần hạt Partica Mini LA350 hãng Horiba 23 Hình II.4: Quy trình chế tạo mẫu gạch tro xỉ - đất sét 24 Hình II.5: Quy trình chế tạo mẫu gạch tro xỉ - sữa vôi 24 Hình II.6: Máy đùn luyện tạo hình dẻo 25 Hình II.7: Khuôn đùn ép lento 26 Hình II.8: Đường cong nung dự kiến 26 Hình II.9: Thiết bị đo cường độ uốn, nén 28 Hình II.10: Thực nghiệm đo độ hút nước, độ xốp biểu kiến khối lượng thể tích 29 Hình III.1: Ảnh SEM tro xỉ Mông Dương 30 Hình III.2: Thành phần hạt tro xỉ Mơng Dương 31 Hình III.3: Kết phân tích XRD mẫu tro xỉ Mơng Dương 32 Hình III.4: Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến độ hút nước, độ xốp biểu kiến mẫu vật liệu 36 Hình III.5: Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến cường độ uốn sau nung vật liệu 37 Hình III.6: Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến cường độ nén mẫu vật liệu 38 Hình III.7: Ảnh hưởng nhiệt độ nung ảnh hưởng đến khối lượng thể tích Vật liệu 39 Hình III.8: Giản đồ XRD mẫu tro xỉ - sữa vôi 40 Hình III.9: Giản đồ XRD mẫu tro xỉ - đất sét 40 Hình III.10: Ảnh SEM mẫu vật liệu tro xỉ - sữa vơi 42 Hình III.11: Ảnh SEM mẫu tro xỉ - đất sét 42 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng I.1: Yêu cầu kích thước gạch đặc đất sét nung Bảng I.2: Yêu cầu cường độ uốn nén Gạch đặc Bảng I.3: Tình hình sản xuất tiêu thụ Vật liệu xây dựng năm 2016-2021 [1] Bảng I.4: Sản lượng trạng sử dụng tro xỉ số Quốc gia giới Bảng I.5: Thành phần hoá đất sét sản xuất gạch đặc đất sét nung 15 Bảng II.1: Cấp phối nguyên liệu sữa vôi 30% 25 Bảng II.2: Cấp phối tạo hình vật liệu tro xỉ - sữa vôi 25 Bảng III.1: Thành phần hóa nguyên liệu sử dụng 30 Bảng III.2: Thành phần khống học tro xỉ Mơng Dương 32 Bảng III.3: Cấp phối phối liệu tro xỉ - đất sét 32 Bảng III.4: Thành phần hóa học dự kiến theo lý thuyết phối liệu tro xỉ - đất sét 33 Bảng III.5: Cấp phối tạo hình vật liệu tro xỉ - đất sét 33 Bảng III.6: Cấp phối tro xỉ - sữa vôi quy khô 33 Bảng III.7: Thành phần hóa học dự kiến theo lý thuyết phối liệu tro xỉ - sữa vôi (quy khô) 33 Bảng III.8: Cấp phối phối liệu tro xỉ - sữa vôi 34 Bảng III.9: Cường độ nén mộc sau sấy vật liệu 34 Bảng III.10: Độ co sấy, co nung vật liệu 35 Bảng III.11: Thành phần pha vật liệu tro xỉ 41 Hình III.3: Kết phân tích XRD mẫu tro xỉ Mơng Dương Trong đó, thành phần khống định lượng cách tương đối sau: Bảng III.2: Thành phần khống học tro xỉ Mơng Dương STT Khoảng hàm lượng (%) Thành phần khoáng vật (Charateristics) (No) Phengite - K(AlMg)2(OH)2(SiAl)4O10 3-5 Anhydrite - CaSO4 4-6 Quartz - SiO2 Hematite - Fe2O3 Có thể tổng hợp Vật liệu từ tro xỉ nhiệt điện với chất kết dính Đất sét vơi tơi với tỉ lệ sau: Vật liệu Tro xỉ Chất kết dính Độ ẩm Tro xỉ - Đất sét 90 % 10% 14,5% Tro xỉ - Vôi 96,5 3,5% 13,8% • Thành phần pha, khống Vật liệu Nghiên cứu bao gồm pha vơ định hình với hàm lượng khoảng 60% tinh thể với với khống quartz có sẵn tro xỉ mullite, anorthite tổng hợp trình nung Vật liệu tro xỉ - sữa vôi tạo nhiều anorthite so với vật liệu tro xỉ - đất sét nên làm giảm hàm lượng quartz tương ứng IV.2 Hướng phát triển luận văn tương lai Hiện nay, nghành xây dựng dân dụng phát triển nhanh - có nhu cầu lớn gạch đặc đất sét nung - nhiên tài nguyên đất sét tự nhiên cạn kiệt dần Tro xỉ nhiệt điện tài nguyên thứ sinh (được tạo liên tục ổn định) với trữ lượng lớn Luận văn hoàn thành định hướng phát triển loại vật liệu từ tro xỉ (có thể thay gạch đặc đất sét nung) giúp tiết kiệm tài nguyên đất sét tự nhiên giúp giải lượng lớn tro xỉ (tồn dạng chất thải rắn) Trong tương lai gần, vật liệu tổng hợp từ tro xỉ thay dần gạch đất sét nung tương lai khơng xa thay hồn tồn Gạch đặc đất sét nung 43 Và để phát triển với quy mô công nghiệp, việc tổng hợp vật liệu từ tro xỉ cần phải nghiên cứu sâu thêm chế độ tạo hình, qui trình nung qui mơ lớn, ví dụ nhà máy gạch tuynel 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] https://vatlieuxaydung.org.vn/vlxd-co-ban/gach-xay/ky-vong-san-xuat-vatieu-thu-gach-xay-dung-se-tang-trong-nhung-nam-tiep-theo-15248.htm A N S a M D A Thomas, "Evaluation of Fly Ash From Co-Combustion of Coal and Petroleum Coke for Use in Concrete," ACI Materials JournalAmerican Concrete Institute, vol 104, no 1, pp 62-69, 01/01/2007 2007 W J Halstead, "USE OF FLY ASH IN CONCRETE," National Cooperative Highway Research Program., vol 127, 1986 M A Jenny Vestin, Desiree Nordmark, Anders Lagerkvist, and B L Per Hallgren, "Fly ash as a road construction material," presented at the Int Conf on Environmental and technical implications of construction with alternative materials, Gothenburg, Sweden, 2012 N T Katarina Mirkovic, Goran Mladenovic, "Effect of Different Types of Fly Ash on Properties of Asphalt Mixtures," Advances in Civil Engineering, vol 2019, 2019 R M T K Roy, "Effect of using fly ash as alternative filler in hot mix asphalt," Perspectives in Science, vol 8, pp 307-309, 2016 Z Nalbantoglu, "Effectiveness of Class C fly ash as an expansive soil stabilizer," Construction and Building Materials, vol 18, no 6, pp 377– 381, 2004 E E Mucahit Sutcu, Osman Gencel, Aliakbar Gholampour, Ebubekir Atan, Togay Ozbakkaloglu, "Recycling of bottom ash and fly ash wastes in ecofriendly clay brick production," Journal of Cleaner Production, vol 223, pp 753-764, 2019 S A Lianyang Zhang, Jinhong Zhang, "Synthesis and characterization of fly ash modified mine tailings-based geopolymers," Construction and Building Materials, vol 25, no 9, pp 3773-3781, 2011 J X Xing-hua Qin, Yu Feng, Arash Tahmasebi, Jiang-long Yu, "An Experimental Study on Production of Silica Aero-gel using Fly Ash from Coal-fired Power Plants " Advanced Materials Research, vol 1010-1012, pp 943-946, 2014 K J M Oscar M Dunens, Andrew T Harris, "Synthesis of Multiwalled Carbon Nanotubes on Fly Ash Derived Catalysts," Environ Sci Technol, vol 20, pp 7889-7894, 2009 P Nath P Sarker, Effect of Fly Ash on the Durability Properties of High Strength Concrete, Procedia Engineering 14 (2011), 1149–1156 T Cicek and M Tanrıverdi, "Lime based steam autoclaved fly ash bricks," Construction and Building Materials, vol 21, no 6, pp 1295-1300, 2007 O Kayali, "High performance bricks from fly ash," in Proceedings of the World of Coal Ash Conference, Lexinton, Kentucky, 2005, vol 11 H.F.W Taylor, Cement Chemistry, Academic Press Inc New York (1990) R.O Lokken, J.W Shade and P.F.C Martin, Effect of Curing Temperature on the Properties of Cementitious Waste Forms, Mat Res Sot Symp Proc., 176, 23-29 (1990) 45 [17] W Ma, C Lui, P.W Brown, and S Komameni, Pore Structures of Fly Ashes Activated by Ca(OH)2 and CaSO4.2H2O, Cem Concr Res 25, 1725 (1995) [18] Ivana Perná, Monika Šupová, Tomáš Hanzlíček, Gehlenite and anorthite formation from fluid fly ash, Journal of Molecular Structure, 1157, 476-481 (2018) W Wirojanagud, N Tantemsapya, P Tantriratna, Precipitation of heavy metals by lime mud waste of pulp and paper mill, Songklanakarin J Sci Technol 26, 45-53 (2004) [19] [20] [21] [22] D He, C Barr, China's pulp and paper sector: an analysis of supply– demand and medium term projections, Int For Rev 6, 254–266 (2004) Elena Tajuelo Rodriguez et al, Thermal stability of C-S-H phases and applicability of Richardson and Groves' and Richardson C-(A)-S-H(I) models to synthetic C-S-H, Cement and Concrete Research 93, 45–56 (2017) Shumei Wang et al, Characterization of anorthite-based porcelain prepared by using wollastonite as acalcium source, Journal of Ceramic Processing Research Vol 16, No 3, pp 361~365 (2015) 46